（电路与系统专业论文）频谱感知及干扰评估技术研究.pdf

重庆人学硕十学何论文中文摘要 摘要 随着人们对无线通信业务需求的不断增长，不同体制、不同协议和不同应用 场合的无线通信系统和网络结构层出不穷，日益增长的频谱需求与有限的频谱资 源之间的矛盾也越来越突出，已成为制约无线通信发展的主要瓶颈之一。认知无 线电作为一种智能频谱共享技术，依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根 据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效 地利用空闲频谱，理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的频谱复用和共享。 频谱感知和干扰评估是构建认知无线电系统的前提之一，通过频谱感知和干扰评 估动态搜集可用频谱的统计信息，既能为高层的频谱管理提供辅助，也能为系统 的功率控制提供参数支持，论文重点研究认知无线电中的频谱感知和干扰评估技 术，主要内容有： ( 1 ) 通过对现有的各种频谱检测方法的总结和分析，比较了各自在频谱检测过 程中的优缺点。 ( 2 ) 协同频谱检测算法能够有效弥补单节点检测中存在的“隐藏终端”和检测准 确性低等问题。但是已有的协同检测算法大多采用等权重进行数据融合，未考虑 不同节点所处的通信环境对检测性能的影响。针对传统的能量检测法和协同频谱 感知存在的局限性，改进一种基于权重的协同检测方案，分别研究了两种权重因 子( 信任度) 的设置方法，第一种是根据不同认知节点分别通过估计与待测频带相邻 保护( 过渡) 频带的噪声特性，来近似作为待测频带内的噪声特性，以此估计噪声作 为信任度进行加权协同数据融合。第二种是以双门限能量检测法为基础，考虑到 单节点双门限设置与节点感知性能直接相关，以单节点两个门限的相对距离作为 信任度进行加权协同数据融合。两种改进的协同检测算法和传统的协同检测算法 相比，检测性能均得到了显著提高。 ( 3 ) 针对循环平稳检测算法开展研究，利用调制信号在循环频率点具有明显的 谱相关特性，而噪声在循环频率点不具有此特性来进行频谱感知，提出一种以待 测频带内信号的循环谱相关函数的峰均比作为检测统计量，改进了检测性能。 ( 4 ) 初步研究了认知无线电中干扰评估方法，改进了干扰温度估计的 m t m s v d 算法，以提高干扰温度估计的准确度，降低算法复杂度。 关键词：认知无线电；噪声估计；加权协同；数据融合；干扰评估 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t l lt h eg r o w t ho fp e o p l e sd e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb u s i n e s sa n d a r i s i n go fv a r i o u ss y s t e m s ，p r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o n s o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n dn e t w o r ks t r u c t u r e s ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns p e c t r u md e m a n da n dt h e l i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e st u r n si n t om o r ea n dm o r ep r o m i n e n ta n db e c o m e so n eo ft h e m a i no b s t a c l e so fc o n s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c o g n i t i v e r a d i o ( c r ) ，a sa l li n t e l l i g e n ts p e c t r u ms h a r i n gt e c h n o l o g y , m a k e ss e n s e o ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tr e l y i n go nt h es u p p o r to fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dr e v i s e s s y s t e mo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa d a p t i v e l yi nr e a lt i m e ，d e t e c t sd y n a m i c a l l ya n du s e si d l e s p e c t r u me f f e c t i v e l ya n da l l o w sa m u l t i d i m e n s i o n a lr e u s ea n ds h a r i n go fs p e c t r u mi nt h e t i m ed o m a i n ，t h ef r e q u e n c yd o m a i na n dt h ea i r s p a c ed o m a i na c c o r d i n gt oac e r t a i no f l e a m i n ga n dd e c i s i o na l g o r i t h m s s p e c t r u ms e n s i n ga n di n t e r f e r e n c ea s s e s s m e n tw h i c h i so n eo fp r e m i s e st ob u i l do n ec rs y s t e mn o to n l ys u p p o r tt h eh i g h - l e v e ls p e c t r u m m a n a g e m e n tb u ta l s op r o v i d et h ep a r a m e t e r ss u p p o r tf o rs y s t e mp o w e rc o n t r o lb y m a k i n gu s eo fs p e c t r u ms e n s i n ga n di n t e r f e r e n c ea s s e s s m e n tt od y n a m i c a l l yc o l l e c t s t a t i s t i c a li n f o r m a t i o ns p e c t r u mo fa v a i l a b l e ，t h ep a p e rf o c u so ns p e c t r u ms e n s i n ga n d i n t e r f e r e n c ea s s e s s m e n tt e c h n i q u e so fc o g n i t i v er a d i oa n dt h em a i nc o n t e n t sa r e ( 1 ) i tc o m p a r e ss t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e st h r o u g h t h es u m m a r ya n da n a l y s i so ft h e e x i s t i n gv a r i o u ss p e c t r u ms e n s i n gm e t h o d s a tt h e i rd e t e c t i o ns p e c t r u mp r o c e s s ( 2 ) c o l l a b o r a t i v es p e c t r u ms e n s i n ga l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r o b l e m t h e ”h i d d e nt e r m i n a l ”o fs i n g l e n o d ea n dt h el o wd e t e c t i o na c c u r a c y m o s to ft h e e x i s t i n gc o l l a b o r a t i v ed e t e c t i o na l g o r i t h m su s ee q u i v a l e n tw e i g h t st om a k e d a t af u s i o n ， a n dd o n tc o n s i d e rt h ea f f e c t i o nt h a tc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n to fd i f f e r e n tn o d e st o d e t e c t i o np e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h el i m i t a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a le n e r g yd e t e c t i o n a n dc o o p e r a t i v ed e t e c t i o n ，i ti m p r o v e sak i n d o fw e i g h t e dc o o p e r a t i v es p e c t r u m d e t e c t i o nm e t h o da n ds t u d i e st w om e t h o d st os e tt h ew e i g h t e d ( t r u s t ) f a c t o no n eu s e s t h en o i s ec h a r a c t e r so fs a f e g u a r d ( t r a n s i t i o n ) s p e c t r u mb a n da d j a c e n tt od e t e c t e d s p e c t r u m b a n dw h i c ha r ee s t i m a t e d a c c o r d i n g t od i f f e r e n tc o g n i t i v en o d e s a p p r o x i m a t e l ya s t h ed e t e c t e ds p e c t r u mb a n d sa n da sq u o t i e t yu s e dt ow e i g h t c o o p e r a t i o nd a t af u s i o n ，t h eo t h e ri sb a s e do nt h ed o u b l et h r e s h o l de n e r g yd e t e c t i o n m o d e la n dm a k e st h et w ot h r e s h o l dr e l a t i v ed i s t a n c eo fs i g n a ln o d ea sac r e d i tq u o t i e t y u s e dt ow e i g h tc o o p e r a t i o nd a t af u s i o nc o n s i d e r i n gt h ed o u b l et h r e s h o l ds e t t i n go f u 重庆人学硕十学位论文 英文摘要 s e p a r a t e dn o d ei sd i r e c t l yt o t h ep e r f o r m a n c eo fn o d ed e t e c t i o n c o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a le n e r g yd e t e c t i o n ，t h et w oi m p r o v e dm e t h o d sh a v es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h e p e r f o r m a n c e ( 3 ) a st ot h es t u d yo fc y c l o s t a t i o n a r yd e t e c t i o nm e t h o d ，t a k i n ga d v a n t a g et h a tt h e m o d u l a t e ds i g n a lh a so b v i o u ss p e c t r u mc o n e l a t i o nf e a t u r e sa tc y c l i cf r e q u e n c yw h i l e t h en o i s ed o e sn o tf o rs p e c t r u ms e n s i n g ，i tp r o p o s e st om a k et h ep e a k - m e a nr a t i oo f s p e c t r a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o no fs i g n a li nb a n dw h i c hw i l lb ed e t e c t e da st h et e s ts t a t i s t i c a n di m p r o v e st h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e ( 4 ) i n t e r f e r e n c ea s s e s s m e n to fc o g n i t i v er a d i oh a s b e e ns t u d i e d p r e l i m i n a r i l y t h r o u g hi m p r o v i n gm t m - s v da l g o r i t h ma b o u ti n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r ee s t i m a t i o nt o i m p r o v ea c c u r a c yo fi n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r ee s t i m a t i o na n dr e d u c et h ec o m p l e x i t yo f t h ea l g o r i t h m k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ；n o i s ee s t i m a t i o n ；w e i g h t e dc o o p e r a t i v e ；d a t af u s i o n ； i n t e r f e r e n c ea s s e s s m e n t i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的砬 士 学位论文 燃叁逸立堑孽鱼途泰鹭盅 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名：7 多 毛l 哆 【， 孪蔚 f 签字日期：即少7 签字日期：z 哆，口 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的戤学位论文邀靖叁缒碰晕丝幽提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c i 、i k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 2 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书2 隧装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕十学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 无线通信需求的快速增长和频谱资源的匮乏，激发了人们对认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ：c r ) 技术的广泛关注和深入研究。作为一种新的智能无线通信技 术，认知无线电欲求突破传统的静态( 固定) 频谱分配政策，通过实时监视和检测目 标频段，发现暂时未被主用户( 授权用户) 使用的频段，在对主用户不造成任何干扰 的前提下，第二用户( 非授权用户、认知用户) 可以“伺机”接入这些空闲频谱。而一 旦发现主用户重新出现在该频段上，认知用户必须及时退出该频段，保证主用户 通信的正常和可靠。通过这种频谱二次利用机制，认知无线电可以有效提高频谱 利用率，为无线通信的进一步发展提供了更为宽阔的频谱资源空间。 近年来，移动通信及宽带无线接入业务需求的快速增长，无线频谱资源显得 越来越珍贵。作为一种有限的自然资源，目前世界上几乎所有国家都把它作为一 种国家资源。我国物权法第五十条就明确规定：“为了充分、合理、有效地利用无 线电频谱，保证各种无线电业务的讵常运行，防止各种无线电业务、无线电台站 和系统之间的相互干扰，本条规定无线频谱资源属于国家所有。无线电频谱资源 属于国家所有，是指国家对无线电频谱资源享有占有、使用、收益和处分的权利”。 我国无线电管理条例第四条也规定：“无线电频谱资源属国家所有。国家对无 线电频谱实行统一规划、合理开发、科学管理、有偿使用的原则”。就世界范围而 言，全球大多数国家都执行固定频谱分配政策，即根据通信的不同将可用频谱划 分成不同频段，频段使用前要严格由国家授权。每个频段分配给固定的授权用户， 为了保护系统之间互不干扰，其发射功率也受到严格限制。 虽然频谱固定分配制度能为通信业务提供保护，使其免受其它通信业务的干 扰，然而，目前的事实是：全球大多数国家和地区，特别是经济发达国家和地区 的频谱管理都面临一个共同的困境，那就是大部分频谱都分配过了，导致频谱资 源与需求之间的矛盾越来越尖锐。然而，频谱资源的紧张并非意味着频谱资源真 的短缺，而是在当前固定频谱分配制度下，频谱资源的浪费很严重，利用率很低。 美国加州大学伯克禾l j ( b e r k e l e y ) 分校无线研究中心对频谱的利用进行了实地测量和 研究【l 】，其结果显示，3 g h z 以上的频段几乎没有被使用，3 - 4 g h z 频谱的利用率只 有0 5 ；4 - - 一5 g h z 频谱的利用率甚至低于0 3 。即使在3 g h z 以下频段，时域 和频率上的利用率也不足3 0 。造成这个现象的根本原因就是美国联邦通信委员 会( f c c ) 对频谱采用的授权分配政策。由此可知，造成频谱资源短缺的真正原因， 并非无线频谱资源不够用，而是无线通信所依赖这种传统的固定频谱分配机制， 重庆人学硕十学位论文1 绪论 导致了频谱利用率低。 为此，f c c 于2 0 0 2 年1 1 月发布了一项由频谱政策任务组( s p e c t r u m p o l i c y t a s k f o r c e ) 提交的旨在有效管理美国频谱资源的统计报告【2 j ，该报告研究发现，当前分 配的绝大多数频谱的利用率为1 5 一8 5 ，并在2 0 0 3 年底发布了关于认知无线电技 术及其应用的政策制定提案公告【3 儿4 1 ，该公告指出目前分配的频段使用事实是某些 业务的频谱资源相对较少但其承载的业务量却很大，而另外一些已授权的频谱资 源利用率却很低。例如移动手机网络的频带是超负荷的，但是诸如业余无线电、 电视广播业务( 北美为5 4 m h z 8 6 2 m h z ) 等相当多频段并没有得到充分的使用。并 且，频谱利用率在不同的空间和时间段也是不同的。由此得出结论：目前频谱资 源实际上是很充裕的，造成频谱资源匮乏的主要原因是静态( 固定) 频谱分配体制而 不是频谱资源本身。这就促使f c c 重新审视其传统的频谱分配政策，并开始寻求 解决频谱资源紧张和频谱利用率低下之间矛盾的有效途径。认知无线电技术被认 为是目前解决这一矛盾的有效途径之一，因此f c c 认为只有彻底改变当前固定频 谱分配政策，部分甚至全部采用动态频谱分配方式，使多种技术可以实现“频谱共 享”，才能从根本意义上改变频谱缺乏的问题。如果采用频谱共享技术，允许部分 用户在不影响主用户的前提下动态共享部分频点，可以极大地缓解目前频谱资源 紧张的问题。f c c 在2 0 0 3 年1 2 月对( ( f c c 规则第1 5 章公布了修正案，提议只 要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用己授权的 无线频带；2 0 0 4 年5 月，又f 式发布一项建议规则制定通告( n o t i c eo f p r o p o s e dr u l e m a k i n g ：n p r m ) ，允许未授权用户在不影响授权用户( 如电视广播) 业务的前提下， 通过基于认知无线电的技术使用电视广播频段中的空闲无线资源。这一规则解决 了认知无线电发展在政策上的障碍，在频谱管理部门政策改革的推动下，越来越 多的研究部门丌始关注认知无线电技术。 1 2 认知无线电的研究和发展现状 认知无线电的概念是由m i t r e 公司顾问、瑞典皇家技术学院j o s e p hm i t o l a 博 士和g e r a l dq m a g u i r e j r 教授于1 9 9 9 年8 月在i e e ep e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s 杂志上首次提出并做了开创性的研究5 】【6 】【7 1 。他们描述了认知无线 电怎样通过“无线电知识描述语言”( r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ： r k r l ) 来提高个人无线电业务的灵活性，通过对软件无线电( s o l , r a r ed e f i n e d r a d i o ：s d r ) 的进一步扩展，采用无线电域的基于模型的方法来控制无线电频谱使 用的规则( 如r f 频段、空中接口、协议、以及空间和时间模式等) 进行推理，通过 r k r l 语言来描述无线电规则、设备、软件模块、电波传播特性、网络、用户需求 和应用场景的知识，以便增强个人业务的灵活性，使软件无线电更好的满足用户 2 重庆人学硕十学位论文l 绪论 需求。研究认知无线电的意义在于提高频谱效率和用户容量，解决频率使用的公 平性问题。 认知无线电是无线通信高速发展的必然趋势，从概念上来讲，认知无线电也 被称为智能无线电，广义上讲是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，它是 一种通过智能频谱管理来解决频谱资源短缺的最有效方法。基于对周围无线环境 的感知交互作用而自动改变发送和接收参数的无线电，这种交互作用包括主动频 谱感知能力，基于自身所具备的“智能”推理功能与工作在其他频率上的用户进行主 动通信和协商，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源( 工作 频率、调制方式、发射功率等) 完成无线传输。其核心思想是通过检测哪些频率没 被占用，在不影响主用户的情况下，为其它服务选择部分频谱，从而使频谱得到 更有效的利用。认知无线电能够帮助用户自动选择最佳的、最廉价的服务方式进 行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获取的无线资源延迟或主动发起传送。 尽管没有成熟的认知无线电标准和法规，但业界的强烈感觉是c r 将成为下一波最 有冲击性的浪潮，甚至被认为是通信领域的“下一次革命”【8 】。认知无线电应具备以 下两个主要特征【9 】： 1 ) 认知能力，认知能力使c r 能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息， 从而可以标识特定时i 日j 和空间未使用频谱资源( 也称为频谱空洞) ，并选择最适当的 频谱和工作参数，这一任务是通过认知环来完成的。 2 ) 重构能力，重构能力使得认知设备可以根据无线环境动态编程，从而允许认 知设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调 制方式、发射功率和通信协议等。重构的核心思想是在不对主用户频谱产生有害 干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被主 用户使用，认知用户有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续 使用该频段，但改变发射功率或者调制方案避免对主用户的有害干扰。 认知无线电的系统模型一直是学者关注的焦点。目前学术界存在多个认知无 线电的概念模型，这些模型从不同侧面体现了认知无线电的特征。j m i t o l a 博士从 认知无线电作为软件无线电的智能化角度研究了认知无线电的实现问题，并提出 了频谱池( s p e c t r u mp o o l i n g ) 的概念，指出采用频谱池技术能够拓展系统的可用带 宽，并给出了如何通过认知无线电技术实现频谱池。他认为：“认知无线电这个术 语确定了这样一个观点，即无线个人数字助理和相关的网络具有对于无线资源和 相关的计算机与计算机之间通信足够的计算智能，其中包括：作为用户环境的函 数，检测用户的通信需求，并且提供满足这些需求的最适当的无线资源和服务。 f c c 对认知无线电的定义为【l o 】：认知无线电是指能够通过与工作环境的交互改变 发射机参数的无线电设备。认知无线电的主体可能是软件定义无线电( s o f t w a r e 重庆人学硕十学位论文1 绪论 d e f i n e dr a d i o ：s d r ) ，但既没有软件也没有现场可编程的要求。这是对认知无线电 的一个狭义的定义。s i m o nh a y k i n 教授结合j m i t o l a 博士和f c c 对认知无线电的 定义，提出了图1 1 所示的以认知循环为基础的概念模型，包括无线频谱探测、信 道状态估计和预测、发射功率控制和频谱管理，重新定义了认知无线电。他认为： “c r 是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环 境中学习，通过实时改变某些操作参数( 如传输功率、载波频率和调制技术等) ，使 其内部状态适应接收到的无线信号的变化，以达到以下目的：任何时间、任何地 点都高度可靠通信，并有效利用频谱资源”。 发射机接收机 图1 1 认知循环模犁 f i g 1 1c o g n i t i v e c y c l em o d e l 1 3 频谱感知研究的目的和意义 认知无线电中频谱感知和动态频谱管理【9 】是两大研究热点。频谱感知是认知无 线电系统构建的前提和关键技术，频谱感知的作用是快速准确地确定未被占用的 频段，不准确或者延时的频谱感知结果可能会给主用户带来有害干扰，因此，频 谱感知方法决定着认知无线电系统对无线通信环境的适应能力，同时，动态频谱 管理模块的正常工作也是以频谱感知的准确性为前提的。频谱感知的快捷性和准 确性是衡量算法性能的两个主要指标。 认知无线电频谱感知主要实现两大任纠1 1 】： 1 ) 检测空闲频谱是否存在。搜寻在特定的时间和地理环境下未被主用户信号占 用的频谱。如果检测到有这样的空闲频谱，则该频谱就可以作为可用频谱被认知 用户使用。 2 ) 对某个认知无线电接收机来讲，即使已经确认了某频段形成频谱空洞，该接 4 重庆人学硕士学位论文l 绪论 收机还需要检测该频谱空洞是否已经被其它认知无线电用户信号占用。如果有， 则本地认知无线电接收机还需寻找其它频谱空洞传输信号，以避免与其它次用户 同时使用该空闲频谱而产生相互间的干扰。 对于认知无线电系统而言，频谱感知既要保证认知用户能有机会利用主用户 暂时没有使用的频谱来实现通信，又要确保不会对主用户信号造成干扰而影响主 用户业务的进行。此外，频谱感知还要使得整个认知无线电网络中所有感知用户 能够按照一定的规则顺序地使用空闲频谱，而不会造成使用上的冲突和相互间的 干扰。为此，认知无线电中的频谱感知必须保证高的可靠性和实时性，具体体现 为能够在低信噪比、强干扰下可靠地检测到主用户信号和其它认知用户信号的存 在与否，甚至还应对不同用户进行信号识别以更好地掌握频谱占用情况。 1 4 论文的主要内容和章节安排 本文重点研究认知无线电中频谱感知和干扰评估技术，具体安排如下： 第一章：介绍认知无线电的产生和发展背景，分析当前频谱利用上存在的问 题，阐述了国内外认知无线电技术的研究和发展现状。 第二章：总结能量检测法、匹配滤波检测法、循环平稳特征检测法以及多节 点协同检测法等典型的频谱感知技术的概念和原理，并分析和比较各自的优缺点。 第三章：重点研究基于信任度的加权协同感知算法，首先提出一种基于噪声 估计的加权协同感知算法，以我国u h f 电视频段为例，对该算法进行了详细论述。 与传统的“或”原则协同检测算法对比分析，验证和评估改进算法的枪测性能。其次， 为了提高单个能量检测节点的感知性能，以能量检测的双门限算法为基础，进一 步研究双门限的设定原则，提出利用双门限相对距离作为信任度进行协同感知， 以进一步提高频谱检测性能。 第四章：针对循环平稳检测算法开展研究，利用检测信号的循环谱密度( s c f ) 函数幅值作为信号检测统计量进行频谱检测。以此为基础提出一种新的检测统计 量，以某一频段内s c f 的峰均比作为检测统计量，并与传统的检测算法对比分析， 验证和评估改进算法的检测性能。 第五章：研究认知无线电的干扰评估模型。以干扰温度机制为研究对象，对 基于m t m s v d 的干扰温度估计算法进行详细分析，利用矩阵理论的最新研究成 果，对上述算法进行改进，改进算法以提高估计的准确度，降低计算复杂度为目 标。 第六章：全文总结和对下一步研究工作的思考。 5 重庆人学硕士学位论文 2 认知无线电中的频谱感知技术 2 认知无线电中频谱感知技术 如前所述，频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一。认知用户接收机在 使用授权用户频带前必须完成两项任务：一是快速、准确地得到可用频谱信息， 这是有效利用无线频谱资源的基本前提，也是认知无线电系统能够得以应用的基 础：二是当认知用户伺机接入主用户的授权频带时，继续对该频段保持监测，一 旦发现该频段授权用户恢复占用，认知设备必须跳转到其他频段或者通过改变传 输功率、调制方式等手段避免对主用户造成干扰。认知无线电的频谱感知能力在 某种程度上反映了它适应无线电环境的能力。 为了能可靠地分辨当前未被授权用户信号和其它次用户信号占用的频段，认 知无线电的射频前端必须能灵敏地检测淹没在噪声中的主用户信号和其它次用户 信号。因此，频谱感知的成功依赖于准确可靠的信号检测技术。根据国内外现有 文献研究现状，本章对现有典型的频谱感知技术进行总结和分析。 一般而言，频谱感知技术可以分为单节点感知和多节点协同感知两大类。单 节点感知是指单个认知用户节点根据本地无线射频环境进行频谱特性分析；而协 同感知则是通过数据融合，基于多个节点的感知结果将进行综合判决。单节点感 知技术包括基于发射机的检测、基于干扰的检测和基于接收机的检测，如图2 1 所 示。当然，在实际感知算法设计中，为了提高检测性能，各种方法会有融合。 图2 1 频谱感知技术分类 f i g 2 1s p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g yc l a s s i f i c a t i o n 2 1 基于发射机检测的基本模型 发射机检测又被称为非协同检测。频谱检测的目的是判断授权频带是否正被 其主用户占用。因此，如果主用户信号在某一确定频段内出现的话，认知无线电 6 重庆人学硕十学位论文 2 认知无线电中的频谱感知技术 应该具有检测出这个信号的能力。发射机检测讵是基于认知无线电对授权用户发 射机发出的微弱信号进行检测。针对发射机检测的系统模型可以抽象为一个二元 假设检验问题【1 2 】： m ，韶品州，著 仁， 其中h 。代表频带空闲，表明目前确定的频段上没有主用户信号；h 。代表信道被占 用，表明目前存在主用户信号。x ( f ) 为认知用户接收信号，s ( f ) 为主用户发射信号， ，l ( f ) 为加性高斯白噪声， ( f ) 为信道增益。 下面分别对几种典型的频谱感知方法，如匹配滤波器检测法、能量检测法、 循环平稳特征检测法以及协同频谱检测法等进行性能分析和比较。 2 1 1 匹配滤波器检测法 匹配滤波器是一种最优的信号检测法，因为在输出端它能够使信号的信噪比 ( s i g n a l n o i s er a t e ：s n r ) 达到最大。匹配滤波器突出优点是能够在短时问里获得高 处理增益。根据输出信噪比最大的线性滤波理论，当最佳滤波器的传输函数h ( r _ o ) 满足： h ( c o ) = c s ( c o ) e 叫嘞( 2 2 ) 时，其中c 是一常数。在白噪声干扰情况下，对已知信号滤波，在t = t o 时获得最大 信噪比。对上式进行傅立叶反变换，得到匹配滤波器的冲激响应h ( t ) ， h ( t ) = 亡ih ( c o ) e 脚d o = 岱( t o - t ) ( 2 3 ) 不难看出，匹配滤波器的冲激响应是该信号的共轭镜像。对于实信号有： s ( t o - t ) = s ( t o - t ) ( 2 4 ) 因此实信号的匹配滤波器冲激响应为： j l l ( f ) = c s ( t o - t ) ( 2 5 ) 由上式还可以得到匹配滤波器的输出信号波形是输入信号的自相关函数的c 倍。 当认知用户获知主用户信号后，最佳高斯线性滤波器就是匹配滤波器。因此， 匹配滤波器能够使接收信号的输出信噪比最大化，相关运算耗时较少且能获得较 高的处理增益，只要输入s n r 达到一定门限即可实现检测。但是采用匹配滤波器 进行信号检测必须已知被检测的授权用户信号的先验知识，比如调制方式、脉冲 波形、数据包格式等，并根据这些信息来设计匹配滤波器，而且解调信号需要同 步相干检测，计算较复杂，对每个特定的主用户都需要专用接收机，这必然会增 加系统的资源消耗和复杂度。 7 重庆人学硕+ 学位论文 2 认知无线电中的频谱感知技术 2 1 2 能量检测法 传统的信号检测方法大都基于能量检测法。h u r k o w i t z 提出了一种根据接收 信号的能量或功率来判断信号是否存在的信号检测方法【l3 1 ，并给出了依据该方法 的检测统计量的分布模型，研究了检测概率和虚警概率的计算方法。能量检测法 是一种信号非相干检测方法，不需要待检测信号的先验知识，是一种对未知参数 信号是否存在的盲检测方法。 能鼍检测模型一 为了测量接收信号能量，主用户接收信号x ( f ) 首先通过中心频率为c ，带宽为 的带通滤波器，然后对经带通滤波器滤波后的信号进行平方运算，并在观测时 间段丁内进行积分，并将积分器输出y 与门限值允进行比较，以此判断主用户是否 存在，如图2 2 所示。 图2 2 能量检测法框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fae n e r g yd e t e c t o r 检验统计量】，的分布为1 4 l ： 朋) 2 黥2 y ) h 1 1 。 ( 2 6 ) 【z 2 。【句7 ) 如果认知用户在a w g n 信道非衰落环境中，信道增益 ( f ) 是确定的，那么对 授权用户的检测概率仍和虚警概率p ，分别为： 既= p ( y 2 h 1 ) = o m ( 2 y ，a ) ( 2 7 ) p f = p ( y 2 h o ) = 挈 ( 2 8 ) 其中，旯是能量检测门限，y 是信噪比；r ( ) 和r ( ，) 分别是完整的和不完整的 g a m m a 函数；q 卅( ) 是普遍的m a r c u m q 函数。由公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可以看出，如果 检测概率办过低，将会增大对主用户的干扰。同样，如果虚警概率p ，过高，将会 导致频谱利用率降低。此外，p ，与信噪比无关，所以即使认知用户处于衰落环境， p ，也不变。但是在衰落信道中，由于信道增益办( ，) 时变，检测概率与瞬时信噪比 有关。所以式( 2 7 ) 应表示为： p a = iq ( 4 2 r ，允珥( x ) 出 ( 2 9 ) 其中f r ( x ) 是信噪比y 在衰落信道环境下的概率密度函数，在r a y l e i g h 衰落下，信 噪比y 服从指数分布【1 5 】： 8 重庆人学硕十学位论文2 认知无线电中的频谱感知技术 z ( x ) = - - 1e x p ( 一= - )y 0( 2 1 0 ) yy p 。的近似表达式可表示为： 旷p 薹拍半广l ( p 一一p 薹去( 赤n ( 2 能量检测模型二 此模型主要考虑信号在非衰落信道中的能量检测。对接收信号首先经过带通 滤波器，选择出将检测的频带，然后对信号进行模数转换，经过简单的累积平方 运算后求得平均值作为接收信号能量。检测判决方法是先设置一个门限，然后将 能量计算值与预先设置的门限相比较，如果超过判决门限，就认为该频段内有授 权用户存在。算法结构如图2 3 所剥1 6 】。 图2 3 能量检测算法示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fe n e r g yd e t e c t i o n 在非衰落信道中，重写式( 2 1 ) 式： m ，= 船州尼，箸 x ( 尼) ，s ( 足) ，n ( k ) 分别为认知用户接收信号、主用户发射信号和信道加性噪声， 声信号为零均值、方差为盯：的高斯白噪声，因此输入信噪比s n r = 蠢蠢。 统计量为： y m 兰k = lc = 鲁善c 2 这里x k 服从n ( o ，群) 的正态分布，( 巧) n ( o ，1 ) 。因此， z = ( ) 2 服从标准的卡方分布，即z z 2 ( m ) 。由卡方分布的均值和方差可得： e ( z ) = m ， o ( z ) = 2 m 从而e ( y ) = 酽。 y 的方差为： 哪) - d ( 万1 善m ( ) = 鲁d ( z ) = 鲁 根据中心极限定理，y ( 酽，2 6 4 m ) 。因此y 的概率密度函数： 9 ( 2 1 2 ) 且噪 检测 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 重庆人学硕+ 学位论文 2 认知无线电中的频谱感知技术 厂c y ， n ；莓2 ：主荨：z ；h q 0 c 2 7 ， 在h 。假设条件下，巧表示信号与噪声方差之和，即： 酽= 拜+ = ( 1 + s n r ) ( 2 1 8 ) 在h 。条件下，该二元假设检验的虚警概率匕为： p i = p r o b ( y “) _ q ( 若彘) ( 2 1 9 ) 其中旯为求取虚警概率匕时设置的门限，q ( ) 为q 函数。如果预设虚警概率值， 那么门限值k 依据下式确定： 以卸阳2 + 鬻) ( 2 2 。) 同样地，在假设日，条件下，如果预设特定s n r 的目标检测概率值只，那么门 限值九依据下式确定： 九硼+ 舢) ( 1 + 勰) 由以上分析可以看出，通过预设虚警概率值或目标检测概率值， 应的判决门限值a 。认知用户频谱感知的最终判决为： fy a 判决为风主用户占用 y l ， p 。 p , n ，p ， p 疗，i = 1 ，n ，而频谱感知所希望的是检测概率办越大越好，虚 警概率p ，越小越好，因此，简单的从以上两式还不能判断出协同感知的优点，为 此进一步对式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 做详细推导。 根据信号检测理论，在对信号存在判决时会出现两种错误，第一种错误为虚警 错误p ，用概率式表示为：尸 日。风) ，即当风为真时，判决。成立；第二种错 误为漏报错误阮，且 p b = 1 一办 ( 3 3 ) 用概率表示为：尸 h o h ) 。基于最大后验概率准则，总的错误概率见 p ，= p p 6 - 4 - q o p ， ( 3 4 ) 其中p = 尸 h i ) 、qm m 尸 h o ) 分别代表信号存在与不存在的先验概率，将p 。代入上 式可得： p 。= p + ( 1 一p ) p ，一p p d ( 3 5 ) 为了求得p 。的最小值，令p = q = 1 2 ，则上式化简为： p 。= 1 2 1 2 ( p a p ，) ( 3 6 ) 由上式可以看出，当p a p ，专1 时，见专0 ，当感知节点所处环境较好时， 若授权用户信号存在，则岛一1 ，若授权信号不存在，则p ，专0 ，此时容易满足 见专0 。但是如果节点的感知环境变差，则岛、p ，很难满足要求，此时错误概率 p ，将变大。 3 1 2 “或”融合准则 “或”融合准则就是按照逻辑“或”的方式进行数据融合。只要任一认知节点检测 出授权用户信号存在，则中心节点就判决信号是存在的。假设每个本地节点的检 测概率和虚警概率分别为和p 。，i = l ，n ，则经过“或”原则合并后